通过干水支撑的氯化物抑制剂对长火焰煤自燃抑制作用的实验研究

《Journal of Immunological Methods》：Experimental investigation of long-flame coal spontaneous combustion inhibition via dry water-supported chloride inhibitors

煤自燃抑制研究中开发出CaCl?与干水复合抑制剂，通过测定颗粒分布、密度等物理性质及热重分析（TPO）和红外光谱（FTIR）发现，1.5% CaCl?时CO浓度降低55.3%，O?消耗率下降21.64%，活性基团峰面积减少，证实该复合抑制剂抑制效果显著优于单一组分。

　　

张英新|任建安|马凯欣|赵志杰|王琳静|彭健|吴家伟|马娜吉|孟凡宇

中国哈尔滨，黑龙江科技大学，150022

摘要

为了有效抑制采空区煤炭的自燃现象，研究人员开发了一种由干水（Dry Water）和CaCl₂组成的复合抑制剂。本研究测定了该复合抑制剂的粒径分布、体积密度、流动性以及保水能力，并采用了程序升温氧化（TPO）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术进行分析。与未经处理的原煤相比，处理后的煤炭中CO的浓度较低，O₂的消耗速率降低，活性官能团的活性也有所减弱。相反，处理后的煤炭表现出更高的抑制效果、更低的残余O₂浓度、更高的交叉点温度和活化能。原煤中的CO浓度分别是添加了0.5%、1.0%和1.5% CaCl₂的煤炭样品的1.09倍、1.30倍和1.54倍。与原煤相比，O₂的消耗速率分别降低了14.88%、17.61%和21.64%。FTIR分析显示，经过复合抑制剂处理的煤炭样品中各活性官能团的峰面积显著减小。这些结果证实了该复合抑制剂具有优异的抑制性能。抑制剂中CaCl₂的浓度越高，其抑制效果越显著。

引言

煤炭的高效清洁利用是全球能源格局的重要组成部分，对环境保护和可持续能源发展具有重要意义[1]、[2]。根据中国煤炭工业协会（CNCIA）发布的2024年煤炭行业年度报告，2024年中国原煤产量达到47.8亿吨，同比增长1.2%。此外，累计煤炭进口量达5.4亿吨，同比增长6828万吨，增长率达14.4%[3]。随着采煤深度的增加，采空区煤炭自燃的频率也在上升，这对国家利益以及人民生命财产安全构成了严重威胁[4]、[5]。

煤炭的低温氧化是引发其自燃的关键因素[6]、[7]。孟等人[8]选用六水合氯化镁（MgCl₂·6H₂O）作为抑制剂进行了实验研究，结果表明氯化镁通过化学作用抑制了煤炭的自燃，并明确了物理抑制途径和化学抑制途径的贡献比例。高等人[9]比较了抗氧化剂硫辛酸（LA）和氯化物抑制剂对煤炭氧化自燃的抑制效果，发现硫辛酸能够有效抑制自由基链反应的进展并阻断煤炭的氧结合反应。张等人[10]研究了不同浓度卤化物盐和氯化钠对煤炭自燃的抑制作用，并利用熵权法优化了该抑制剂。邢等人[11]评估了添加不同氯化物盐的脱氧剂在快速消耗O₂和抑制自燃方面的有效性。卢等人[12]研究了提高预抑制温度对使用MgCl₂溶液作为抑制剂抑制煤炭自燃效果的影响，发现提高预抑制温度可以显著提升抑制效果。张等人[13]探讨了多种氯化物盐对煤炭自燃的抑制作用，发现MgCl₂参与了整个煤炭-氧气反应过程。然而，现有的许多抑制剂存在局限性，如与煤炭的结合亲和力低、作用时间短、在高温环境下易降解以及对pH值变化敏感[14]、[15]、[16]。因此，针对特定采矿条件开发专用抑制剂已成为亟待解决的问题。

干水（Dry Water）是一种由研究人员在20世纪60至70年代开发的粉末材料，其特点是水滴被包裹在二氧化硅颗粒内[17]。尽管它看起来像一种蓬松的固体粉末，但其主要成分是液体，占其总质量的90%以上[18]。干水被用于灭火和阻燃应用；加热时，包裹在颗粒内的水会迅速蒸发，吸收热量并实现高效冷却。同时，二氧化硅粉末均匀覆盖在可燃材料表面，有效隔绝O₂，从而实现双重阻燃机制。在本研究中，干水与氯化钙创新结合，制备出了氯化物抑制剂（Ca-DW）。其中，干水作为载体，包裹氯化钙溶液，防止水分快速蒸发，从而延长了抑制作用时间。通过分析气体浓度变化、交叉点温度、O₂消耗速率、抑制效率、表观活化能和红外光谱特性等关键指标，证实了Ca-DW抑制剂具有优异的抑制效果。这项研究为Ca-DW在抑制剂领域的进一步开发和应用提供了宝贵的理论基础。

实验部分

测试煤样的制备

本实验使用的煤样来自伊兰市第三煤矿开采的长焰煤。抑制剂处理煤样的具体制备过程如图1所示。

M_ad表示煤样中的水分质量分数，A_ad表示煤样中的灰分质量分数，V_ad表示煤样中的挥发分质量分数，FC_ad表示煤样中的固定碳质量分数。

最初，取0.1克……

抑制剂基本物理性质的表征

本研究测定了含有不同浓度CaCl₂的复合抑制剂的物理性质，包括粒径分布、体积密度、流动性和保水能力。

结论

• 1)
  Ca-DW复合抑制剂能有效抑制长焰煤的自燃，其中1.5%的CaCl₂浓度被认为是最适合实际应用的浓度。在该浓度下，该抑制剂对煤炭的氧化自燃具有显著的抑制效果，为采空区防火和灭火工程实践提供了宝贵的参考。
• 2)
  该复合抑制剂对煤炭自燃的抑制效果非常显著

CRediT作者贡献声明

张英新：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计、资金申请。任建安：撰写初稿、软件应用、数据分析、概念构思。马凯欣：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证。赵志杰：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证。王琳静：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证。彭健：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证。吴家伟：撰写、审稿与编辑、数据可视化

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。